Die aerobe Zellatmung ist ein Stoffwechselvorgang, der der Energiegewinnung dient. Dazu wird Glucose aufgespalten, um das vom Körper verwertbare Adenosintriphosphat (ATP) zu erhalten. Wie der Name der aeroben Zellatmung schon verrät, ist eine Voraussetzung, dass Sauerstoff vorhanden ist. Ist Sauerstoff nicht vorhanden, laufen stattdessen anaerobe Stoffwechselwege ab, um Glucose aufzuspalten. Diese sind aber weniger effektiv, d.h. es kann weniger Energie in ATP gespeichert werden als bei der aeroben Zellatmung.
Wenn kein Sauerstoff vorhanden ist und der Stoffwechselprozess der aeroben Zellatmung nicht stattfinden kann, läuft stattdessen die Milchsäuregärung und/oder die alkoholische Gärung ab.
Aeroben Zellatmung – Reaktionsort
Die Zellatmung kann in Eukaryoten und Prokaryoten stattfinden. Menschen und Pflanzen gehören zu den Eukaryoten. Pflanzen können die Kohlenhydrate für ihren Stoffwechsel mithilfe von Sonnenenergie bei der Fotosynthese selbst herstellen. Menschen hingegen sind auf Nahrung angewiesen, die Kohlenhydrate bzw. Glucose enthält. Glucose wird dann bei der Zellatmung schrittweise abgebaut.
Zum größten Teil findet die aerobe Zellatmung in den Mitochondrien statt. Bestimmt kennst du die Mitochondrien auch unter dem Begriff „Kraftwerke der Zelle“.
Aeroben Zellatmung – Energiewährung der Zelle
ATP ist ein Nukleotid mit drei Phosphatgruppen. ATP wird auch die „Energiewährung“ in unserem Körper genannt, weil es universell im Körper genutzt werden kann. Der Name von Adenosintriphosphat verrät dir schon, dass drei Phosphate an dem Nukleotid angehängt sind. Die Bindung zwischen der 2. und 3. Phosphatgruppe ist besonders energiereich. Wie ein Molekül ATP aufgebaut ist, kannst du in Abbildung 1 nachvollziehen.
Abbildung 1: Adenosintriphosphat
Wird Energie benötigt, wird diese Bindung gespalten und Energie wird frei. Dann entsteht das energiearme Adenosindiphosphat (ADP) und Phosphat. Dieser Prozess ist reversibel, das heißt, dass eine Phosphatgruppe wieder an ADP angehängt werden kann. Dann ist das Molekül wieder energiegeladen.
Aeroben Zellatmung – Ablauf
Die aerobe Zellatmung besteht aus 3 Teilschritten:
- Glykolyse
- Citratzyklus (inkl. oxidativer Decarboxylierung)
- Atmungskette
Bei allen drei Teilschritten wird ATP produziert. Bei der Atmungskette allerdings am meisten.
Glykolyse
Die Glykolyse findet in eukaryotischen Zellen im Cytoplasma statt. Dabei wird Glucose zu Pyruvat abgebaut. Man kann die Glykolyse in zwei Teile aufteilen. Im ersten Teil wird Energie verbraucht. Er trägt somit noch nicht zu Energiegewinnung bei. Im zweiten Teil der Glykolyse wird Energie in NADH und ATP gespeichert. Dabei entstehen 2 Pyruvat.
Wichtig ist, dass pro Mol Glucose 2 Mol Pyruvat entstehen. Das kannst du dir herleiten, indem du dir merkst, dass Glukose 6 Kohlenstoffatome besitzt und Pyruvat lediglich 3. Daher müssen zwei Pyruvat-Moleküle entstehen, da sonst Kohlenstoffatome verloren gingen. Der Ablauf der Glykolyse ist in Abbildung 2 für dich zusammengefasst dargestellt.
Die Glykolyse kann auch unter anaeroben Bedingungen stattfinden. Sie ist also nicht direkt abhängig von Sauerstoff. Es ist also durchaus möglich, die Glykolyse nicht als Teil der Zellatmung zu betrachten, sondern als vorgeschalteten Prozess.
Tipp: Je nach Lehrbuch oder Lehrkraft wird Pyruvat auch Brenztraubensäure genannt.
Die freiwerdende Energie wird bei der Glykolyse in Form von ATP gespeichert. NAD+ dient hier als Elektronenakzeptor. Also speichert auch NADH Energie.
Bilanz der Glykolyse
Oxidative Decarboxylierung
Die oxidative Decarboxylierung, ist die Schlüsselreaktion zwischen Glykolyse und Citratzyklus. Hier wird das Pyruvat, das Produkt der Glykolyse, in die Mitochondrien transportiert. Jetzt finden weitere Reaktionen der aeroben Zellatmung in den Mitochondrien statt.
Bei der oxidativen Decarboxylierung wird eine Carboxylgruppe abgespalten und das restliche Molekül oxidiert. Dabei wird Kohlenstoffdioxid frei, was wir über unsere Lungen ausatmen können. Es entsteht ein Acetat-Molekül. Es ist das Anion der Essigsäure, was dir die Endung -at verrät.
Bei der Oxidation des Pyruvats werden Elektronen abgegeben, die auf übertragen werden. Dadurch wird zu reduziert. Zuletzt wird auf das Acetat ein Coenzym A übertragen, wodurch es aktiviert wird. Das Produkt der Reaktion heißt Acetyl-CoA oder Acetyl-Coenzym-A. Die Bindung zwischen Acetyl und Coenzym A ist energiereich, weshalb das Acetyl beim Einschleusen in den Citratzyklus leicht übertragen werden kann.
Bilanz der oxidativen Decarboxylierung
Citratzyklus
Das Ausgangsmolekül ist Acetyl-CoA, das von der oxidativen Decarboxylierung bereitgestellt wird. Die Acetyl-Gruppe wird im ersten Reaktionsschritt auf Oxalacetat übertragen. Oxalacetat ist ein Akzeptormolekül, das aus 4 Kohlenstoffatomen besteht. Dabei entsteht Citrat, wonach der Zyklus benannt ist. Der Zyklus ist auch als Krebs-Zyklus, Citronensäure-Zyklus oder Tricarbonsäurezyklus bekannt.
Citrat besitzt 6 Kohlenstoffatome. Wie du an der Endung -at wieder erkennst, ist Citrat also das Anion der Citronensäure.
Den Citratzyklus oder Zitronensäurezyklus kann in zwei Phasen eingeteilt werden:
- Abbau von Citrat
- Wiederherstellung von Oxalacetat
Die erste Phase ist dafür zuständig, dass Kohlenstoffatome abgespalten werden und in Form von Kohlenstoffdioxid freigesetzt werden. Die zweite Phase dient dazu, das Ausgangsmolekül Oxalacetat wieder herzustellen, damit der Citratzyklus von neuem beginnen kann. Bei dem Abbauen und Wiederherstellen wird Energie frei, die aber nicht verloren geht, sondern in sogenannten Carrier-Molekülen und GTP gespeichert wird.
GTP bedeutet Guanosintriphosphat. Also ist in diesem Molekül nur ein anderes Nukleotid an den Phosphatgruppen angehängt. GTP ist ATP ähnlich und kann zu ATP auch leicht umgewandelt werden.
Carrier-Moleküle werden mit Elektronen beladen und transportieren Elektronen an ihren Zielort. Auch, wenn es erst einmal so aussieht, als würden sie Protonen (Wasserstoff) transportieren, ist es natürlich so, dass Wasserstoffatome, jeweils ein Elektron auf ihrer Schale haben. Man spricht vom Elektronentransport, da Elektronen Energieträger sind. Diese Carrier-Moleküle sind beim Citratzyklus und .
Bilanz des Citratzyklus
Atmungskette
In der Atmungskette der Zellatmung wird die in den Carrier-Molekülen gespeicherte Energie in ATP umgewandelt. Sowohl bei der Glykolyse, im Citratzyklus und der oxidativen Decarboxylierung sind solche energiegeladenen Carrier-Moleküle entstanden.
Die Atmungskette findet an der inneren Mitochondrienmembran statt. und geben an bestimmte Membranproteine ihre Elektronen ab, die als Redoxsysteme fungieren. Der Schlüssel zur Energiegewinnung bei der Atmungskette ist eine Elektronentransportkette, bei der Schritt für Schritt Energie frei wird und in Form von ATP gespeichert wird.
Das letzte Membranprotein der Elektronentransportkette überträgt schließlich die Elektronen auf Sauerstoffmoleküle, sodass Wasser entsteht. Du fragst dich bestimmt wie aus Sauerstoffatomen und Elektronen Wasser entstehen kann? Die benötigten Wasserstoffatome befinden sich reichlich in der Mitochondrienmatrix und kommen bei dieser Reaktion aus dem Lumen hinzu.
Um den Ablauf der Atmungskette nochmal zu verbildlichen, ist in Abbildung 4 eine grobe Zusammenstellung aller Abläufe, die für dich wichtig sind.
Vielleicht hast du dich schon einmal gefragt, warum man eine Elektronentransportkette braucht, wenn auch gleich Wasser aus Elektronen und Sauerstoff hergestellt werden könnte. Das hat einen einfachen Grund: Das Energielevel der Elektronen muss über die Elektronentransportkette reduziert werden, damit es nicht zu einer Knallgasreaktion in unseren Zellen kommt.
Würde dies passieren, ginge eine Zelle wahrscheinlich kaputt und das wäre bestimmt nicht im Sinne des Organismus. Außerdem werden bei der Elektronentransportkette Protonen in den Intermembranraum transportiert, was einen Konzentrationsgradienten aufbaut. Diesen macht sich die ATP-Synthase schließlich zur Synthese von ATP zunutze.
Der Schlüssel zur ATP-Gewinnung ist eine ATP-Synthase. Bei der Elektronentransportkette werden Wasserstoffprotonen aktiv in den Intermembranraum transportiert. Dadurch besteht nun ein Konzentrationsgradient von Wasserstoffprotonen zwischen dem Intermembranraum und der Mitochondrienmatrix. Wasserstoffprotonen können die innere Mitochondrienmembran nicht ohne Hilfe durchqueren, bestreben aber einen Ausgleich des Konzentrationsgradienten. Dabei kommt die ATP-Synthase zum Einsatz, die die Protonen in die Matrix zurück pumpt. Die dabei freiwerdende Energie wird nun in ATP gespeichert.
Die Atmungskette ist eine oxidative Phosphorylierung.
Bilanz der Atmungskette
Aeroben Zellatmung – Energiebilanz
Jetzt wollen wir aber wissen, wie viele ATP-Moleküle pro Glucosemolekül bei der Zellatmung gebildet werden. Dafür musst du wissen, dass pro NADH-Molekül 2,5 ATP und pro -Molekül 1,5 ATP-Moleküle gebildet werden können. Durch die Glykolyse, der oxidativen Decarboxylierung und dem Citratzyklus entstehen bei der Zellatmung 10 und 2 . Darauf können wir jetzt die ATP-Menge, die bei der Atmungskette entsteht, berechnen:
10 NADH → 10 x 2,5 ATP = 25 ATP
2 FADH2 → 2 x 1,5 ATP = 3 ATP
Bei der Atmungskette entstehen also 28 ATP-Moleküle. Addieren wir nun die ATP-Moleküle, die bei der Glykolyse (2 ATP) und dem Citratzyklus (2 ATP) entstanden sind, werden pro Glucose-Molekül 32 Moleküle ATP in der Zellatmung gebildet.
Je nach Lehrkraft kann es sein, dass die richtige Antwort für die in der Atmungskette gewonnenen ATP-Moleküle 38 Moleküle ATP ist. Die tatsächliche ATP-Ausbeute kommt auf die Auslastung der ATP-Synthase an. Bei maximaler Auslastung kann die ATP-Synthase auch mehr ATP synthetisieren und die Bilanz der Atmungskette beträgt dann 34 ATP- statt 28 ATP-Moleküle.
Aeroben Zellatmung – Allgemeine Reaktionsgleichung
aerobe Zellatmung – Das Wichtigste auf einen Blick
- Bei der aeroben Zellatmung wird Glucose aufzuspalten und das vom Körper verwertbare Adenosintriphosphat (ATP) zu erhalten.
- Die aerobe Zellatmung wird in 3 Teilschritte unterteilt: Glykolyse, Citratzyklus (inkl. oxidative Decarboxylierung) und die Atmungskette.
- Die Glykolyse findet im Cytoplasma statt, während die restlichen Teilschritte der aeroben Zellatmung in den Mitochondrien stattfinden.
- Bei der Glykolyse werden aus einem Molekül Glucose 2 Pyruvat-Moleküle hergestellt.
- Pyruvat wird durch die oxidative Decarboxylierung zu Acetyl-CoA umgewandelt und aktiviert. Das ist der Ausgangsstoff des Citratzyklus.
- Im Citratzyklus wird Acetyl-CoA an Oxalacetat gebunden. Der Zyklus wird in 2 Teile unterteilt: Im ersten Teil wird Citrat abgebaut und im 2. Teil wird Oxalacetat wiederhergestellt, damit der Zyklus von neuem beginnen kann.
- Während den Reaktionen wird Energie frei, die in GTP (im Citratzyklus) und NADH und gespeichert wird.
- Bei der Atmungskette an der Mitochondrieninnenmembran entladen sich die Carrier-Moleküle NADH und . Die freiwerdenden Elektronen werden auf Membranproteine übertragen, die eine Elektronentransportkette bilden.
- Mithilfe eines Konzentrationsgradienten erzeugt schließlich eine ATP-Synthase an der Mitochondrieninnenmembran aus ADP und P ATP.
- Insgesamt werden bei der aeroben Zellatmung pro Mol Glucose 32 ATP Moleküle erzeugt.
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